DE2057642A1

DE2057642A1 - Verfahren zum Verteilen von Fasern in Harze

Info

Publication number: DE2057642A1
Application number: DE19702057642
Authority: DE
Inventors: Hill George Robert
Original assignee: Phillips Petroleum Co
Current assignee: Phillips Petroleum Co
Priority date: 1969-12-01
Filing date: 1970-11-24
Publication date: 1971-07-22
Also published as: NL7017471A; ES384828A1; BE759611A; FR2072218A5; LU62095A1; CA947469A

Description

Dr. Michael Hξμι

Patentanwalt 635 3nd M,IUhatm

ßur-jaiU- '.!b Telefon (0 6ü 32) 62 37

H /EW (256) 20 856 H

Phillips Petroleum Company, Bartlesville, OkIa., V.St.A,

VERFAHREN ZUM VERTEILEN VON FASERN IN HARZE

Diese Erfindimg betrifft das Verteilen oder Einarbeiten von Fasern oder Fäden, beispielsweise Glasfasern, in thermoplastische Harze. Im besonderen betrifft die Erfindung die Herstellung eines aus Fasern und thermoplastischem Harz bestehenden Konzentrats von hoher Festigkeit.

Thermoplastische Harze werden in mannigfacher Form seit Jahren für die Herstellung von Formteilen verwendet. Als Füllmittel für diese Harze und zu deren Verstärkung verwendet man Fasern und Fäden verschiedener Art. Mit Glasfasern verstärkte Thermoplasten sind wegen ihrer ausgezeichneten physikalischen Eigenschaften stark gefragt. Nach modernen Erkenntnissen hergestellte mit Glasfasern verstärkte Thermoplasten können für die Herstellung von Tabletten und Granulat für Spritzgußzwecke oder für die Herstellung von Folien, Röhren, Stangen und anderen profilierten Materialien verwendet werden.

Es ist sehr erwünscht, dass zwischen dem Harz und den Fasern ein fester Verbund hergestellt und ein unnötiges Brechen der Fasern während des Einbringens in das Harz vermieden wird. Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Herstellung verstärkter thermoplastischer Harze bzw. Kunststoffe, wonach Konzentrate erhalten werden, die dank der statistischen oder regellosen Anordnung der Fasern und des sehr geringen Bruchanfalls bei den Fasern eine

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COPV

überlegene Festigkeit und Einheitlichkeit haben und sich ausserdem durch einen hervorragenden Verbund zwischen Harz und Fasern auszeichnen. Mit den nach diesem Verfahren hergestellten Konzentraten erhält man Formteile mit gleichbleibend guten physikalischen Eigenschaften.

Nach der Erfindung werden Glasfasern oder andere fadenartige Materialien in ein thermoplastisches Harz eingearbeitet, nachdem man dieses plastifiziert, d.h. in den geschmolzenen Zustand übergeführt hat. Die Fasern werden in das plastifizierte Harz eingebracht und unter kontrolliertem intensiven Mischen darin eingearbeitet.

Es ist zweckmäßig, die Zeit für das intensive Mischen, d.h. das Einarbeiten der Fasern in das Harz, so zu bemessen, dass die gewünschte Faserlänge erhalten bleibt. Eine Zeit von etwa 2 bis 10 Minuten ist hierfür in der Regel ausreichend. Man nimmt an, dass die Verteilung der Fasern in dem geschmolzenen oder erweichten Harz und der zwischen den Fasern und dem geschmolzenen Harz erreichte Verbund von hoher Energie während der erforderlichen Zeit durch die während des Einarbeitens der Fasern örtlich auftretenden starken Scherkräfte und hohen Temperaturen bewirkt werden. Es wurde festgestellt, dass man mit einem auf hoher Scherkraft arbeitenden Mischer nicht allein ein intensives Mischen durchführen kann, sondern auch ein Produkt erhält, in dem die Fasern gleichmäßig in dem thermoplastischen Harz verteilt aber regellos angeordnet sind, d.h., nicht axial ausgerichtet sind, sondern kreuz und quer durch das Produkt verlaufen.

Man nimmt an, dass in den Zonen des Mischers, in denen starke Scherkräfte wirken, ein sehr starker Verbund zwischen dem thermoplastischen Harz undder Faser eintritt. Isoliert auftretende erhöhte Temperaturen und die Schmierwirkung der starken Scherkräfte schaffen zusammen mit dem intensiven Mischen den gewünschten Verbund zwischen den Fasern und dem geschmolzenen Harz.

Wenn man die Zeit für das Mischen richtig bemißt, tritt ein etwa durch Faserbruch hervorgerufenes ernsthaftes Problem nicht auf. Während der durch starke Scherkräfte bewirkten Verteilung der Fasern tritt ein verbesserter Verbund zwischen dem thermoplastischen Harz und den Fasern ein. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann man Produkte mit einer hohen

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Faserkonzentration herstellen, d.h. Produkte, denen zur Herstellung eines Endproduktes unter Aufrechterhaltung eines guten Verbunds zwischen Fasern und Harz weitere Harzmengen beigemischt werden können.

In ihrer praktischen Ausführung umfasst die Erfindung als erste Stufe das Erweichen oder Plastifizieren eines thermoplastischen Harzmaterials und als zweite Stufe das intensive mechanische Einarbeiten von Fasern in das so vorbereitete Material, wobei ein für das Mischen von hochwirksamen Stoffen geeigneter Mischer, beispielsweise ein Banbury-Innenmischer verwendet wird.

Der Banbury-Innenmischer oder Banbury-Kneter unterscheidet sich von Schneckenpressen darin, dass er eine Hochleistungsmaschine ist, mit der man Kautschuk kneten und Konzentrate in Kunststoffe oder Kautschuk einarbeiten kann. Die Mischkammer des Banbury-Innenmischers ist achtförmig. In jeder Kammerhälfte ist ein spiralflügeliger Rotor untergebracht. Die beiden Rotoren drehen sich mit einem geringen Geschwindigkeitsunterschied/ so dass das Material zwischen den Rotoren einerseits und zwischen den Rotoren und den Kammerwanden andererseits einer Scherwirkung ausgesetzt ist. Unter diesen Umständen beruht der Mischvorgang in der Hauptsache auf der Scherwirkung. Der Schervorgang bewirkt das Mischen dadurch, dass die Komponenten zu immer dünner werdenden Schichten auseinandergezogen werden. Eine Schnecken· presse bzw. ein Schneckenextruder ist dagegen infolge der ungleichmäßigen Verteilung der Scherkräfte im Schneckenkanal eine Mischvorrichtung von relativ geringer Wirksamkeit. Im Prinzip besteht eine Schneckenpresse aus einer in einer Trommel gelagerten Schnecke. Ihre Funktion besteht darin, eine plastifizierte, in der Wärme homogene Schmelze zu erzeugen, die Triebkraft für den Durchfluß des Materials durch die Düse zu liefern und die Durchflußgeschwindigkeit des Materials durch die Düse im Gleichmaß zu halten.

Mit einem alt hoher Scherkraft arbeitenden Innenmischer nach der Art de· Banbury Mischers können Konzentrate von Fasern in Harz mit einem Fasergehalt von bis zu 60 Gew.-% hergestellt werden. Mit Mischern, die mit 3,3 bis 10 PS-Min. pro Kilogramm Produkt arbeiten, 1st ein intensives mechanisches Mischen gewährleistet. Je nach der gewünschten Länge der in das Gemisch eingearbeiteten Fasern können für das Mischen Zeiten von 2 bis 10 Minuten verwendet werden.

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Für das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignete thermoplastische Harze sind die Polyolefine, beispielsweise Polyäthylen, Polypropylen und deren harzartige Copolymere. Jedoch kann das Verfahren mit thermoplastischen Harzen jeder Art sowie mit anderen thermoplastischen Polymeren wie natürlichem und synthetischem Kautschuk ohne Schwierigkeit durchgeführt werden. Polyäthylen, das nur eine schwache Neigung zum Verbund mit Fasern hat und bisher nur schwer mit Fasern verstärkt werden konnte, kann durch Intensivmischen mit hoher Scherkraftwirkung nach der Erfindung leicht mit Fasern angereichert werden und Faserkonzentrate bilden.

Als Verstärkungsmittel kann man zahlreiche Fasern oder Fadengebilde verwenden, vorausgesetzt, dass die Thermoplasten eine niedrigere Schmelztemperatur als die jeweils zu verwendende .Faser haben. Die Länge, die die eingearbeiteten Fasern nach dem Mischen haben sollen, wird von auf die physikalischen Eigenschaften des Produktes gerichteten Überlegungen bestimmt. Für viele Zwecke sind, um Produkte mit befriedigendem physikalischen Profil zu erhalten, eingearbeitete Glasfasern von mindestens 1,6 mm Länge wünschenswert. Unter physikalischen Gesichtspunkten kommt es weiterhin auf den Verteilungsgrad und den Mangel an Orientierung an, den die Fasern in dem thermoplastischen Harz haben und ebenso auf die Art und die Stärke des Verbundes zwischen den Fasern und dem thermoplastischen Harz.

Man pflegt Mischzonen mit hoher Scherkraftwirkung normalerweise nicht als förderlich für die physikalischen Profile von faserverstärkten Thermoplasten anzusehen. Man hat solche Zonen unter der Annahme vermieden, dass sich Schwierigkeiten infolge Faserbruchs einstellen könnten. Man nahm an, dass die Beanspruchung, der der Füllstoff während der Bearbeitung des hochviskosen Harzes unterworfen ist, zu unbefriedigenden Produkten mit niedrigen physikalischen Festigkeitswerten führt.

Nach der Erfindung werden Glasfasern von 1,6 bis 13 mm Länge in einem Thermoplasten, beispielsweiie Polyäthylen, eingebracht, während dieser in einem Innenmischer mit hoher Scherkraft, z.B. einem Banbury-Innenmischer, geknetet wird. Für das Einkneten der Glasfasern in das Polyäthylen verwendet man eine auf 2 bis 10 Minuten angesetzte Zeit, die es gestattet, eine Fasernlänge von mindestens 1,6 bis 6,4 mm herzustellen.

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Spezifisch gesprochen kann man nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in Polyäthylen ein Konzentrat an Glasfasern herstellen, das es gestattet, das Produkt mit geringerem Aufwand und in kleineren Fasern in den üblichen Pressverfahren zu verwenden. Das erhaltene Glasfaser-Polyäthylen-Konzentrat kann entweder In bekannten Vorrichtungen zu kleinen Würfeln ausgeformt oder für die unmittelbare Verwendung in Pressverfahren gekühlt und granuliert werden. Die bei der Erfindung erhaltene heiße Schmelze kann dadurch in Würfelform übergeführt werden, dass man sie diskret in einen Schneckenextruder einleitet. Man kann die Schmelze auch nach dem Auttritt aus dem Schneckenextruder in kleine Würfel formen oder in schmale Streifen schneiden und diese vor der Behandlung in einer Granuliervorrichtung an der Luft trocknen. Für die Verarbeitung in Extrudern haben faserverstärkte tabellierte Materialien gegenüber pulverförraigen Materialien den Vorteil des geringeren Staubanfalls, der geringeren Klumpenbildung und des geringeren Lufteinschlusses, der im herzustellenden Formling zur Blasenbildung führen kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Formling ein stark verbessertes physikalisches Profil erhält.

Wenn den Konzentraten beispielsweise bei der Verformung weitere Harze beigemischt werden, so nehmen auch die so erhaltenen Produkte die auf dem besonderen Faser-Harz-Verbund und der regellosen Anordnung der ungebrochenen Fasern beruhenden hohen physikalischen Festigkeitswerte an.

Beispiele

Die folgenden.Tabellen enthalten Beispiele für die physikalischen Eigenschaften von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Mischungen aus Glasfasern und Polyäthylen.

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TABELLE I	Mischungsverhältnis	20 Gew.-% Glasfasern in Poly äthylen	10 Gew.-7o Glasfasern in Poly äthylen
	30 Gew.-% Glasfasern in Poly äthylen	625	319
Eigenschaft	661	14	21
Zugfestigkeit (kg/cm²)	11	22000	20100
Dehnung (%)	44100	6,9	7,6
Elastizitätsmodul (kg/cn»2)	16,1	119° C	117° C
Izod-Schlagzähigkelt (cmkg/cm²)	126° C	72	72
Formbeständigkeit in der Wärme	76	8,0	10,8
Shore D Härte	3,5
Schmelzindex

Die Zugfestigkeit der Prüfstäbe wird nach der Norm D 638-67T der American Society of Testing Materials, die Izod-Kerbschlagzähigkeit nach ASTM D256-56 bestimmt. Die Teststäbe werden nach ASTM D1928-68, Verfahren C, hergestellt.¹ Die Dehnung wird nach ASTM D638-67T, der Elastizitätsmodul nach ASTM D790-66, die Härte nach ASTM D1706-67 und die Formbeständigkeit in der Wärme nach ASTM D648-56 bei 18,6 kg / 2 gernesβen. Die Ergebnisse sind in der Tabelle I verzeichnet.

Die Tabelle II umfasst unter Nr. 1 bis 4 vier Proben eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Polyäthylen-Faser-Gemisches, das 30 Gew.-% Glasfasern enthält und bei 232° C verpresst worden ist. Probe 5 ist ein 30 Gew.-% Glasfasern enthaltendes Polyäthylen-Faser-Geraisch, das durch Verdünnen aus einem 60 Gew.-% Glasfasern enthaltenden erfindungsgemäßen Polyäthylen-Faser-Konzentrat hergestellt ist. Probe 6 ist ein 30 Gew.-% Glasfasern enthaltendes Polyäthylen-Faser-Gemisch, das dadurch hergestellt wurde, dass man festes Polyäthylen in Tablettenform, also nicht in erweichter Form, und Glasfasern in den Mischer einbrachte, das folglich nicht nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.

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Tabelle II	keit	Dehnung	Izod-Kerb-	Formbesfcän
Probe Zugfestig-	(kg/cm2)	(X)	schlagzähig-	digkeit in
			keit	der Wärme
	737		(cia-kg/cm^)	ί° c)
	748	7 %	12,3	122
1	750	8 %	15	122
2	765	7,4%	15,6	121
3	625	8 %	" 17,7	122
4	244	9,8%	14,6	118
5		9,8%	2,9	73
6

Die nach Tabelle III geprüften Proben unterscheiden sich von denen der Tabelle II nur darin, dass sie bei 288° C verpresst worden sind.

Tabelle III

Probe	Zugfestigkeit	Dehnung	Izod-Kerb-	Formbestän
	(kg/cm2)	-(%)	schlagzähigkeit	digkeit in
			(cm-kg/cm^)	der Wärme (o G)
1	705	6,4	8,5	122
2	721	6,8	11,5	122
3	763	7,4	13,7	122
4	770	7,0	15,4	122
5	625	8,6	13,1	118
6	245	11,2	2.9	54

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Während der mechanischen Intensivbehandlung des Faser-Harz-Gemisches wurden die Werte des Kilowatt-Zeit-Verhältnisses aufgezeichnet. Aus den Aufzeichnungen wurde der Energieaufwand pro Kilogramm des Gemisches errechnet. Die Versuchszahlen sind in der folgenden Tabelle IV wiedergegeben.

Tabelle	IV	Dauer der Inten- Gehalt an sivbehandlung Glasfasern (Minuten) (Gew.-%)	15 30 50 60	Energ i eau fwand (PS-Min/kg)
	2 2 2 2		8,82 4,96 3,97 3,75
Polyäthylen-Glasfaser-Gemisch
Probe
1 2 3 4

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Claims

Patentansprüche;

Verfahren für das regellose Verteilen von Fasern in einem thermoplastischen Harz, dadurch gekennzeichnet, dass man das Harz durch eine intensive mechanische Behandlung vorplastifiziert, dem Harz im erweichten Zustand Fasern von einer Länge von 1,6 bis 13 mm zugibt und die Fasern in das Harz dadurch einarbeitet, dass man das Faser-Harz-Gemisch mit einem Energieaufwand von 3_t3 bis 10 PS-Min pro kg des Faser-Harz-Gemisches einer mechanischen Intensivbehandlung unterwirft.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zugegebenen Fasern Glasfasern sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeit für die mechanische Intensivbehandlung 2 bis 10 Minuten beträgt.
4. Verfahren na,ch Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass man als thermoplastisches Harz Polyäthylen, Polypropylen und n^itürliehen oder synthetischen Kautschuk verwendet .

Verfahren naph eiinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daysman für das Vorpiastifizieren des thermoplastischen Harz.es und für die mechanische Intensivbehandlung des Gemisches aus Harz und Fasern einen Innenmischer nach der Art der Banbury-Innenmischer verwendet.

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